Глава 4. свойства материалов

Свойство— это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими матери­алами.

Физические свойства

Физические свойства – внутренние, присущие данному материалу или веществу особенности, обусловливающие их различие или общность с другими веществами или материалами и проявляющиеся как ответная реакция на воздействие внешних физических полей или сред.

Физические свойства, определенные стандартными методами с указанием состава, строения и структур, представляют собой стандартные справочные данные веществ и материалов. Порядок разработки и аттестации стандартных справочных данных о физико-химических константах и свойствах веществ и материалов установлен в Правилах по межгосударственной стандартизации (ПМГ 28-99).

Наиболее важными физическими свойствами, значения которых учи­тывают при практическом использовании материалов, являются плот­ность, теплоемкость, теплопроводность, тепловое расширение, электро­проводность. Особые магнитные свойства железа, никеля, кобальта и их сплавов, а также ферритов выделили их в группы материалов исключи­тельной ценности — ферро- и ферримагнетики.

Физические свойства определяются типом межатомных и межмолекулярных связей, хими­ческим составом материалов, температурой и давлением. Для большин­ства процессов обработки материалов давления не превышают 500 МПа. Такие давления практически не влияют на значения физических свойств. Различают зависимые и независимые от структуры материала физические свойства. Значения последних определяются только химическим составом материала и температурой.

При нагреве физические свойства изменяются нелинейно. Прибли­женно они характеризуются соответствующими температурными коэф­фициентами. Например, удельное электросопротивление r при нагреве на ΔТ определяется зависимостью:

r_Т = r₀ (1 + b ΔТ), (4.1)

где r₀, r_Т− удельное электросопротивление на нижней и верхней границе интервала температур ΔТ; b − температурный коэффициент.

Так как значения температурных коэффициентов малы, то аналогичные линейные зависимости свойств от температуры применимы в широких интервалах температур с достаточной для практических целей точностью.

Плотность− мера количества вещества (m) в единице объема (V) кг/м³
ρ= т/V. (4.2)

Плотность, определенная для однородных веществ, может рас­сматриваться как теоретическая. Плотностью, близкой к теоретиче­ской, обладают, как правило, металлы, жидкости, некоторые полиме­ры и др. Для неоднородных веществ используют понятие «объемная плотность».

Объемная плотность − величина, определяемая отношением массы неоднородного вещества ко всему занимаемому им объему, включая имеющиеся в нем поры и пустоты.

Объемную плотность ρ_ср. вычисляют по формуле:

ρ_ср.= m/V_e , (4.3)

где V_e − объем вещества в естественном состоянии.

Для инженерных расчетов используются понятия «относи­тельная плотность» и «насыпная плотность».

Относительная плотность представляет собой отношение плотности вещества ρ к плотности эталонного вещества ρ_эт при опре­деленных внешних условиях:

ρ_от = ρ / ρ_эт.. (4.4)

Плотность твердых и жидких материалов обычно сравнивают с плот­ностью воды при температуре 4°С (1000 кг/ м³).

Насыпная плотность ρ_н — масса единицы объема свободно на­сыпанных дисперсных материалов (например, цемент, песок, мине­ральная вата и др.)

Плотностьсущественно зависит от типа межатомной связи. Макси­мальную плотность имеют материалы с ненаправленными металлически­ми или ионными связями. Направленная ковалентная связь предопределя­ет менее плотное расположение атомов.

У металлов плотность изменяется от 22,5 г/см³ − у осмия до 0,534 г/см³ − у лития. Легирование сплава более тяжелыми элементами, чем основа, увеличивает, а более легкими − уменьшает его плотность. Масштабы легирования ограничены техническими и экономическими соображениями Плотность основы является определяющей для группы сплавов разного химического состава на основе данного металла.

Пористость уменьшает плотность. Для порошковых сплавов и других пористых материалов она является одним из критериев качества. Пористость оценивают по фактической плотности материала и определяют методом гидростатического взвешивания или другими способами.

Уменьшение расхода конструкционных материалов и снижение массы металлоконструкций и машин является тенденцией современного машиностроения. Чем меньше плотность материалов, тем ниже динамические нагрузки на детали и меньше расход энергии на эксплуатацию машины.

Преимущество легких материалов над тяжелыми становится более наглядным при сравнении материалов по их удельной прочности и удельной жесткости. По этим характеристикам первое место занимают композиционные материалы, а сплавы алюминия (дуралюмины) не уступают более прочным легированным конструкционным сталям.

При нагреве плотность материалов уменьшается из-за теплового расширения.

Тепловое расширение− это изменение объёма (линейных размеров тела) при повышении температуры при постоянном давлении. В основе теплового расширения лежит несимметричность тепловых колебаний атомов, поэтому при повышении температуры увеличиваются средние межатомные расстояния.

Для практических целей пользуются средними значениями коэффициентов объемного α_V и линейного α_l расширения:

(4.5)

где V, l — объем и длина образца соответственно; ΔV, Δl изменения объёма и длины при повышении температуры на ΔТ.

В общем случае

b = a₁ + a₂ + a₃, (4.6)

где a₁, a₂ и a₃ — соответственно коэффициенты линейного расширения по трем осям симметрии кристалла (табл. 4.1).

Таблица 4.1

Значение коэффициента линейного расширения a • 10⁶ , К^-1

Материал	a1	a2	a3
Be	8,6	11,7	11,7
Графит	17,2	-1,5	-1,5
Со	16,1	12,6	12,6
Mg	26,4	25,6	25,6
SiO2	8,0	14,4	14,4
SiC	12,2	20,9	20,9
Sb

Для кристаллов кубической системы, а также для стекла и других изотропных материалов с аморфной структурой b = 3a. В кристаллах с низкой симметрией отдельные слагаемые коэффициента объемного рас­ширения могут принимать отрицательные значения. При поляризации атомов и появлении дальнодействующих составляющих межатомного вза­имодействия коэффициент b становится отрицательным. Например, гер­маний при нагреве от 15 до 40К не расширяется, а сжимается. Среди полимеров самое большое тепловое расширение имеют неполярные поли­меры, у которых силы Ван-дер-Ваальса малы.

Создание текстур в металлических сплавах, ориентация макромоле­кул в полимерах отражаются на значениях коэффициента линейного рас­ширения: они существенно различаются в направлении преимуществен­ной ориентации и в поперечном направлении.

Тепловое расширение полимеров уменьшается при усилении межмо­лекулярного притяжения благодаря взаимодействию диполей, наличию во­дородных и химических связей между молекулами.

Тепловое расширение стекол по мере повышения содержания щелочных оксидов Ме₂О возрастает от a =0,56 · 10^-6 К^-1 − у кварцевого стекла до a < 6 ·10^-6 К^-1 − у так называемых твердых стекол и a > 6 · 10^-6 К^-1 − у так называемых мягких стекол, к которым относится большая часть промышленных стекол (a = (6 ... 9) · 10^-6 К^-1).

Различие значений коэффициента теплового расширения двух соеди­няемых материалов является причиной появления значительных терми­ческих напряжений. Согласование значений a при соединении стекол с металлами необходимо при впаивании металлических проводников в сте­кла. Получаемые спаи отличаются простотой конструкции и надежно­стью в эксплуатации.

Тепловое расширение учитывают при расчете прессовых посадок, сварке и пайке разнородных материалов, изготовлении аппаратуры из двухслойных сталей и ее эксплуатации, при выборе клеев и эксплуата­ции машин и приборов в изменяющихся температурных полях. У боль­шинства материалов при повышении температуры коэффициенты тепло­вого расширения увеличиваются. При термоциклировании или частых колебаниях температур в изделиях и деталях создаются неоднородные температурные поля и возникают напряжения. Работа материала при повышенных температурах и меняющихся напряжениях сопровождается появлением трещин и разрушением даже, если эти материалы являются высокопластичными. Наиболее стойки к термической усталости и раз­рушению при термических ударах материалы, в которых малое тепловое расширение сочетается с высокой теплопроводностью.

Теплопроводностьюназывается перенос энергии в форме теплоты в твердых телах, жидкостях и газах при макроскопической неподвижности среды. Основным законом передачи тепла в неподвижной среде (молекулярной теплопроводностью или кондукцией) является закон Фурье:

, (4.7)

где q — плотность теплового потока, Дж/м² ·с; l — теплопроводность, Вт/(м·К).

Теплопроводность зависит от типа межатомной связи, температуры, химического состава и структуры материала.

Тепловая энергия в твердых телах переносится электронами и фононами, т.е.

l = l_э + l_ф. (4.8)

Механизм передачи энергии в первую очередь определяется типом связи: в металлах энергию переносят электроны; в материалах с ковалентным или ионным типом связи — фононы. Самым теплопроводным является алмаз. В полупроводниках при весьма незначительной концен­трации носителей заряда теплопроводность осуществляется в основном фононами. Чем совершеннее кристаллы, тем выше их теплопроводность. Монокристаллы лучше проводят тепловую энергию, чем поликристаллы, так как границы зерен и другие дефекты кристаллической структуры рассеива­ют фононы и увеличивают электросопротивление.

Кристаллическая решетка создает периодическое энергетическое пространство, в котором передача энергии электронами или фононами облегчена по сравнению с аморфным состоянием (табл. 4.2).

Таблица 4.2

Теплопроводность кварцевого стекла, кварца, поликристаллических

и жидких металлов

Материал	t, °С	l, Вт/(м·К)
Кварцевое стекло	-200	0,93
-100	1,56
	1,90
	2,08
Кварц*	-200	39,8/100,3
-100	17,3/34,5
	10,4/19,0
	6,9/12,1
Алюминий**	~ 650	85/225
Свинец**	-327	15/31
Цинк**	~ 419	60/93

_______

* В числителе − в перпендикулярном, а в знаменателе − в парал­лельном оси направлении. ** В числителе − в расплавленном, а в знаменателе − в поликристаллическом состоянии.

Чем больше примесей содержит металл, мельче зерна и больше иска­жена кристаллическая решетка, тем меньше теплопроводность. Легиро­вание вносит искажение в кристаллические решетки твердых растворов и понижает теплопроводность по сравнению с чистым металлом — основой сплава. Структурные составляющие, представляющие дисперсные сме­си нескольких фаз (эвтектики, эвтектоиды), снижают теплопроводность. Структуры с равномерным распределением частиц фаз имеют меньшую теплопроводность, чем основа сплава. Предельным видом подобной струк­туры является пористый материал. По сравнению с твердыми телами газы являются теплоизоляторами.

Теплопроводность пористых керамических и металлических матери­алов независимо от типа межатомной связи можно оценить по формуле:

l_пор @ l(1 - р), (4.9)

где l — теплопроводность беспористого материала, Вт/(м·К); р — доля пор в объёме пористого материала (пористость).

Графит имеет высокую теплопроводность. При передаче теплоты па­раллельно слоям атомов углерода базисной плоскости теплопроводность графита превышает теплопроводность меди более чем в 2 раза (табл. 4.3).

Разветвленные пластины графита в сером чугуне имеют структуру мо­нокристалла, и поэтому он имеет высокую теплопроводность (50-70 Вт/(м·К)). Высокопрочный чугун с шаровидным графитом при той же объемной доле графита имеет теплопроводность 25...40 Вт/м·К, что почти вдвое меньше по сравнению с серым чугуном.

При нагреве теплопроводности сталей разных классов сближаются (рис. 4.1).

Стекло имеет низкую теплопроводность. Полимерные материалы плохо проводят теплоту, теплопроводность большинства термопластов не превышает 1,5 Вт/(м·К).

Таблица 4.3

Физические свойства материалов с металлической, ковалентной

иионной межатомной связью

Материал	g, г/см3	a·106, К-1	l, Вт/(м·К)
Металлическая связь
Сu	8,93	16,7
Be	1,84	12,8
Mg	1,71	25,9
Al	2,7
Ti	4,5	7,5
Zr	6,44	6,3	21,4
Fe	7,87	12,1
Ni	8,7	14,0
Ковалентная связь
Алмаз	3,52	1,2
Графит	2,25	8,1
SiC	3,22	4,3
Si3N4	3,19	2,75	17,1
Поливинилхлорид	1,38-1,43		0,16
Полиэтилен	0,92-0,96		0,4
Полистирол	1,05		0,16
Поликарбонат	1,2	60-70	0,24
Фторопласт-4	2,14- 2,25	-	0,24
BN	2,29	7,5	15,1
AlN	3,05	4,03
Ионная связь
ВеО	2,7-2,86	10,6	152,4
MgO	3,3-3,5	15,6	58,6
Аl2Оз	3,7-3,8	8,4	28,9
SiO2	2,3-2,6	0,5	12,6
ТiО2	4,0-5,1	7,1	34,7
ZrO2	5,2-5,35	7,6	1,6

Рис. 4.1.Зависимость теплопро­водности нелегированных (I), низ­колегированных (II) и высоколеги­рованных (III) сталей от темпера­туры

Теплоемкость− это способность вещества поглощать теплоту при нагреве. Ее характеристикой является удельная теплоемкость − количе­ство энергии, поглощаемой единицей массы при нагреве на один градус.

У металлических сплавов удельная теплоемкость находится в пре­делах 100...2000 Дж/(кг·К). Тугоплавкие металлы характеризуются низкими значениями, например, W (134 Дж/(кг·К) и Мо (254 Дж/(кг·К) , а лег­кие металлы, напротив − высокими значениями теплоемкости, например, Al, Mg и Be (896, 1017 и 1750 Дж/(кг·К), соответственно. У большинства металлов теплоемкость составляет 300-400 Дж/(кг·К). Теплоемкость металличе­ских материалов растет с повышением температуры.

Полимерные материалы, как правило, имеют удельную теплоемкость 1000 Дж/(кг·К) и более.

Электрические свойства материалов характеризуются наличием но­сителей зарядов — электронов или ионов — и свободой их передвижения под действием электрического поля. Высокие энергии ковалентной и ионной связи сообщают материалам с этими типами связи свойства диэлектрика. Их слабая электрическая проводимость обусловлена влиянием примесей, причем под влиянием влаги, образующей с примесями проводящие растворы, электропроводность таких материалов возрастает.

Материалы с разными типами связи имеют различные температурные коэффициенты электросопротивления: у металлов он положителен, у материалов с ковалентным и ионным типом связи — отрицателен. При нагреве металлов концентрация носителей зарядов — электронов не увеличивается, а сопротивление их движению возрастает из-за увеличена амплитуд колебаний атомов. В материалах с ковалентной или ионной связью при нагреве концентрация носителей зарядов повышается настолько, что нейтрализуется влияние помех от увеличения колебаний атомов. По этой причине удельное электросопротивление таких материалов при нагреве снижается. Начиная с (0,8 — 0,9)Т_пл концентрация носителей заряда становится большой, а сами материалы делаются проводящими.

Механические свойства

Механические свойства – характеризуют сопротивление материала де­формации, разрушению или особенность его поведения в процессе разру­шения. Эта группа свойств включает показатели прочности, жесткости (упругости), пластичности, твердости и вязкости. Основную группу та­ких показателей составляют стандартные характеристики механических свойств, которые определяют в лабораторных условиях на образцах стандартных размеров. Полученные при таких испытаниях показатели механических свойств оценивают поведение материалов под внешней нагрузкой без учета конструкции детали и условий их эксплуатации. Кроме того, дополнительно определяют показатели конструкционной прочности, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами конкретного изделия и оценивают работоспособность материала в условия эксплуатации.